Posted by გალაქტიკების სპექტრში არსებული წითელი წანაცვლებით, ამ გალაქტიკებამდე მანძილის დადგენა ხდება. რაც უფრო მეტია წანაცვლება, მით უფრო შორსაა გალაქტიკა. მანძილის დადგენის ეს მეთოდი დოპლერის ეფექტს ეფუძნება(ნახეთ მანძილები კოსმოსურ ობიექტებამდე).
დავუშვათ, გვაქვს ელექტრომაგნიტური გამოსხივების რაიმე წყარო და გვინდა წყარომდე მანძილის დადგენა. თუ ეს წყარო დამკვირვებლის მიმართ უძრავი არაა და გადაადგილდება, მაშინ ტალღის რხევათა სიხშირე დამკვირვებლის კოორდინატთა სისტემაში შეიცვლება, ხსენებული ეფექტის გამო, დამოკიდებულებით წყაროს მოძრაობის სიჩქარისა სინათლის სხივის სიჩქარესთან. წყაროს დაშორებასთან ერთად მისი ტალღის სიხშირე მცირდება, მოახლოებისას კი პირიქით იზრდება(დოპლერის ეფექტი). თუ ტალღის სიგრძეების მნიშვნელობებს გამოვიყენებთ, მაშინ დამკვირვებლის კოორდინატთა სისტემაში გამოსხივების წყარო აღიწერება ფორმულით:
Δλ/λ=V/c
სადაც Δλ=λ-λο/λο — ტალღის ცვლილებაა, V – გალაქტიკის დაშორების სიჩქარე, c – სინათლის სხივის სიჩქარე, λ0 – ლაბორატორიული, უძრავი წყაროს ტალღის სიგრძე. მეორეს მხრივ, წყაროს სიჩქარის დამოკიდებულება წყარომდე მანძილზე დაკავშირებულია ჰაბლის მუდმივასთან:
V=cΔλ/λο = H R,
სადაც H – ჰაბლის მუდმივაა, R – მანძილი გალაქტიკამდე. თუ გვეცოდინება წითელი წანაცვლება z=Δλ/λ მგალითად, რომელიმე გალაქტიკისთვის, ჩვენ შევძლებთ გალაქტიკამდე მანძილის გაზომვას.
თვითონ სინათლე ერთნაირად ანათებს აქაც, ლაბორატორიაშიც და მილიარდობით წლის იქეთ მდებარე გალაქტიკაშიც. ლაბორატორიულ სინათლეს არაფერი ემართება, რადგან ის აქვეა, ხოლო შორეული გალაქტიკებიდან ჩვენამდე მოსული სინათლე, კოსმოსლუგიური თუ გრავიტაციული წანაცვლების გამო აღარ არის ისეთი, როგორიც თავიდან იყო. ანუ, ეს მაჩვენებელი სპექტრომეტრის საშუალებით დგინდება.
ზოგიერთ კვაზარს დიდი წითელი წანაცვლება აქვს: აღმოჩენილია კვაზარი წანაცვლებით z = 5,82. ასეთი ობიექტები ლამის სინათლის სხივის სიჩქარით გვშორდებიან. აქ უკვე დოპლერის ეფექტის გამოყენება მიუღებელია. ასეთ შემთხვევაში იყენებენ ფორმულაებს ფარდობითობის სპეციალური თეორიიდან:
z=1+V/c / √1-V²/c²-1
ამ ფორმულით გამოთვლილი კვაზარის სიჩქარე, ნებისმიერი წითელი წანაცვლების შემთხვევაში, სინათლის სიჩქარეზე ნაკლები იქნება.
დაზუსტებული მონაცემების მიხედვით, ციფრული მნიშვნელობით H=67,80 ± 0,77 კმ/(წმ.მეგაპარსეკი). მაშინ ჰაბლისეული გაფართოების დრო(სავარაუდოთ, ახლოსაა სამყაროს გაფართოების დროსთან)T=1/H=13,8 მილიარდი წელი, ხოლო სამყაროს პირობითი რადიუსი გამოდის R=c/H=4 200 მეგაპარსეკი.
საით ინაცვლებს წითელი წანაცვლება?
წითელი წანაცვლება უმნიშვნელოვანესი კოსმოლოგიური პარამეტრია. ის გვიჩვენებს, თუ რამდენად გაფართოვდა სამყარო, ფოტონების გამოსხივების მომენტიდან, მათი რეგისტრირების მომენტამდე:
z+1=a(t2)/a(t1).
z – წითელი წანაცვლებაა(წითელი წანაცვლება არის მასხივებელი წყაროს სპექტრულ ხაზში შემავალი ტალღების სიგრძის ზრდა(ხაზების წანაცვლება სპექტრის წითელი ნაწილისკენ) ეტალონური გამოსხივების წყაროს სპექტრთან შედარებით. წ.წ. გამოწვეული დოპლერის ეფექტით ხდება მაშინ , როცა გამოსხივების წყარო შორდება გამოსხივების მიმღებს), t1 – ფოტონების გამოსხივების მომენტი, t2 – რეგისტრაციის მომენტი. სიდიდე a – ე.წ. მასშტაბის ფაქტორია. წარსულში მასშტაბის ფაქტორი ერთზე მცირე იყო, მომავალში კი მეტი იქნება, რადგან ჩვენი სამყარო ფართოვდება. მანძილი შორეულ გალაქტიკებს შორის იცვლება, ხოლო მათი სინათლე წითლისკენ წანაცვლებას განიცდის.
ობიექტთა წითელ წანაცვლებაზე დაკვირვებით, არსებული კოსმოლოგიური მოდელის ჩარჩოებში, მნიშვნელოვანი სიდიდეები შეგვიძლია გამოვითვალოთ: მანძილი, სიჩქარე… რა თქმა უნდა, დროთა განმავლობაში ყოველი დამზერადი ობიექტის წითელი წანაცვლებაც უნდა შეიცვალოს. ზუსტი მონაცემების მიღებაში მომავლის ტელესკოპები(ახალი სპექტროგრაფებით) დაგვეხმარება.
მატერიის გაჩენის მერე(ინფლაციის დასასრული), პირველი რამდენიმე მილიარდი წლის განმავლობაში სამყარო შენელებულ გაფართოებას განიცდიდა, რაც შემდეგ, აჩქარებული გაფართოებით შეიცვალა და ახლაც გრძედლება. სწორედ აქ ვაწყდებით სირთულეებს. შედარებით ახლოს მდებარე ობიექტები, გამოსხივების მომენტში, აჩქარებული გაფართოების რეგიონებში იყვნენ. არანაირი არსებითი ცვლილება გაფართოების დინამიკაში მას შემდეგ არ მომხდარა. მათთვის წითელი წანაცვლების მაჩვენებელი ზრდას გააგრძელებს.
გალაქტიკებისთვის, რომლებმაც ჩვენს მიერ მიღებული სიგნალები შენელებული გაფართოების რეგიონიდან გამოასხივა, სიტუაცია კიდევ უფრო რთულადაა, რადგან გაფართოების დინამიკა, შენელებიდან აჩქრებაზე გადასვლის მომენტის მიმართ სიმეტრიული არაა.
მაგალითად, გალაქტიკებს, რომლებმაც შენელებიდან აჩქარებაზე გადასვლის მომენტზე ადრე გამოასხივა, ოღონდ საკმაოდ ახლოს ამ მომენტთან, უფრო მეტად გაწითლებული სახე ექნება, რადგან გამოსხივებებს შორის მომენტებადმე მასშტაბის ფაქტორი თითქმის არ იცვლება, ხოლო რეგისტრაციის მომენტებს შორის შესამჩნევ ცვლილებას გვიჩვენებს. რაც უფრო ძველ სიგნალებს ვიღებთ, მით უფრო მეტი წითელი წანაცვლება ექნება მათ, შემდეგ, ყველაფერი წანაცვლების შემცირებით შეიცვლება. ზღვარი, თანამედროვე სტანდარტული პარამეტრებისთვის, შეესაბამება წითელ წანაცვლებას – დაახლოებით z=2.
როგორც არ უნდა იყოს, საკმარისად შორეული გალაქტიკებისთვის, თანამედროვე აჩქარება საწყის შენელებას ვერ აკომპენსირებს. ანუ, თეორიულად ჩვენ შეიძლება დავინახოთ, რომ შორეული ობიექტების წანაცვლება შემცირებას დაიწყებს. თუ ახლანდელი გაფართოება არ შეიცვალა, სულ უფრო ცოტა წყარო იქნება, რომელთა წითელი წანაცვლება დროთა განმავლობაში კიარ იზრდება, არამედ კლებულობს. საბოლოოდ, ხილული გალქტიკების რაოდენობა შემცირდება, სამყაროს ყველაზე პირველი ობიექტების ზღვრამდე. მხოლოდ ბნელი საუკუნეები და რელიქტური გამოსხივება დარჩება.
რელიქტური გამოსხივების წითელი წანაცვლება
წარმოიდგინეთ, რომ შორეულ გალაქტიკაზე დაკვირვებისას, მასში, საათს ხედავთ. ხედავთ, რომ საათის ისრები მოძრაობენ, თუნდაც არა ისეთი ტემპით, როგროც თქვენს საათზე. საათის დანახვა იმ ფოტონების საშუალებით არის შესაძლებელი, რომლებიც ამ გალაქტიკიდან, დროის სხვადასხვა მომენტებში გამოსხივდა. რელიქტური გამოსხივების ფოტონების შემთხვევაში კი სულ სხვანაირი სიტუაციაა!
რელიქტური ფოტონები პრაქტიკულად ერთდროულად გაჩნდა(სურ.1), როცა სამყარო გამჭვირვალე გახდა მათთვის. მთელი სამყარო მაშინვე შეავსეს(სურ.2) და ახლაც ავსებენ მას. ყველა მათგანის ასაკიც ერთნაირია. ამიტომ რელიქტზე დაკვირვებისას, გუშინ, დღეს, ხვალ თუ მილიარდი წლის მერე, ფორმულაში ერთი და იგივე დრო უნდა ჩავსვათ(სურ.3). ანუ, მნიშვნელი ამ ფორმულაში არ იცვლება, ხოლო მრიცხველი მუდმივად იზრდება, რადგან სამყარო ფართოვდება. გამოდის, რომ რელიქტური გამოსხივების წითელი წანაცვლებაც ასევე იმატებს, მასშტაბის ფაქტორის ზრდასთან ერთად.
შეგვიძლია წარმოვიდგინოთ სიტუაცია, როცა ერთი ადამიანი, მოგზაურობს რა შეუჩერებლად, ყოველ დღე წერილებს გწერთ. ყოველი ახალი გზავნილი, რა თქმა უნდა, ახალი ადგილიდან იქნება გამოგზავნილი. მასში სხვადსხვა მოვლენებია აღწერილი და თქვენ რაღაც ისტორიის ნაკადს ხედავთ. მეორე ადამიანმა კი მილიონობით ერთნაირი წერილი დაწერა, ბოთლებში ჩააწყო და ოკეანეში გადაყარა. მთელი ოკეანე ამ ბოთლებით არის სავსე და თქვენ ყოველ მათგანში ერთი და იგივე რიცხვით დათარიღებულ წერილებს პოულობთ. რელიქტური ფოტონები, სწორედ ასეთი, ბოთლებში ჩაწყობილი წერილებია.
სურ.1. მრუდი, მასშტაბის ფაქტორის ევოლუციას გვიჩვენებს, ყვითელი კედელი კი რელიქტური ფონის გაჩენის მომენტს. რელიქტური გამოსხივების დამზერისას, დროის ერთი და იგივე მომენტში გაჩენილ ფოტონებს ვხედავთ. მას მერე, მასშტაბის ფაქტორი, მხოლოდ იზრდებოდა. ამიტომ, რელიქტური გამოსხივების წითელი წანაცვლებაც ყოველთვის იზრდება(გაფართოებად სამყაროში, რა თქმა უნდა).
სურ.2. ცენტრში მყოფი დამკვირვებელი, რელიქტურ გამოსხივებას სწავლობს. სამყარო ამ ფოტონებით არის შევსებული. მათი ნაწილი დამკვირვებლისკენ მოძრაობს და ადრე თუ გვიან მიაღწევს მას.
სურ.3. იმის გამო, რომ მთელი სამყარო რელიქტური ფოტონებით არის შევსებული(გაჩენილი მომენტში t1), დამკვირვებელი ყოველთვის დაინახავს მათ. ზოგიერთი რელიქტური ფოტონი ყოველთვის მასთან მისასვლელ გზაზეა.
იმედია, არც თუ ისე შორეულ მომავალში, სხვადასხვა მანძილებზე მდებარე კოსმოსური ობიექტების წითელი წანაცვლების პირდაპირი გაზომვები ზუსტი კოსმოლოგიის ინსტრუმენტდ იქცევა, რაც დინამიკის პირდაპირი გაზომვის საშუალებასაც მოგვცემს.